基于風(fēng)場AGC調(diào)度控制的三區(qū)域控制法

李振華，曹積欣，董玲玲

(山東華能萊州風(fēng)力發(fā)電有限公司，山東 264000)

0 引言

為提高風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行的技術(shù)和管理水平、優(yōu)化風(fēng)電并網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行，為實(shí)現(xiàn)風(fēng)電功率預(yù)測預(yù)報(bào)為輔助手段的各類電源協(xié)調(diào)運(yùn)行、提高調(diào)度能力的具體目標(biāo)，電力調(diào)度機(jī)構(gòu)要按照有關(guān)法律法規(guī)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，加強(qiáng)風(fēng)電調(diào)度管理，在保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電等可再生能源的優(yōu)先調(diào)度和全額收購目標(biāo)要求。

因此風(fēng)電場必須具備低電壓穿越技術(shù)，風(fēng)場負(fù)荷預(yù)測系統(tǒng)、風(fēng)電場在線負(fù)荷控制技術(shù)，風(fēng)電場在線負(fù)荷控制技術(shù)主要控制的是完成電力調(diào)度機(jī)構(gòu)對(duì)風(fēng)場下發(fā)的負(fù)荷目標(biāo)進(jìn)行有效的目標(biāo)跟蹤控制，將負(fù)荷控制穩(wěn)態(tài)、無差地運(yùn)行在目標(biāo)狀態(tài)之中，即風(fēng)場統(tǒng)稱的AGC調(diào)度運(yùn)行控制。

1 三區(qū)域控制法

對(duì)于風(fēng)電場在線負(fù)荷控制技術(shù)，可以認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制，控制的準(zhǔn)則是指滿足 JITAE為最小的控制方式，可采用表達(dá)函數(shù)為:

其中e(t)為控制和目標(biāo)的偏差，τs為過渡時(shí)間[1]。

由于風(fēng)場的風(fēng)速具有隨機(jī)性，風(fēng)速的變化相對(duì)規(guī)律比較難于預(yù)計(jì)，同時(shí)短期風(fēng)速的變化不會(huì)太大，因此系統(tǒng)的誤差過渡跟蹤時(shí)間是可以根據(jù)風(fēng)速的變化趨勢范圍加以定性控制的，不同的風(fēng)速范圍變化決定不同的系統(tǒng)過渡控制時(shí)間常數(shù)，通過優(yōu)化修正控制確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性，具體的系統(tǒng)控制如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

2 控制策略

2.1 經(jīng)典PID區(qū)域控制

對(duì)于目標(biāo)給定功率和實(shí)際功率值之間采用經(jīng)典PID控制，經(jīng)典PID著重于系統(tǒng)輸出量，根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的誤差量(P)，誤差累計(jì)量(I)以及誤差的變化速率(D)來調(diào)整輸入量[2]。

經(jīng)典PID的傳遞函數(shù)采用:

其中Kp代表比例增益，Tn為積分時(shí)間常數(shù)，Tv及Td代表微分時(shí)間常數(shù)。

通過PID可以得到給定值和實(shí)際功率之間的目標(biāo)調(diào)整趨勢，但是由于直接使用卻無法描述風(fēng)速擾動(dòng)誤差對(duì)于趨勢的影響，無法判斷風(fēng)機(jī)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行擾動(dòng)誤差對(duì)于趨勢的影響。

2.2 優(yōu)化區(qū)域控制

對(duì)于風(fēng)場的AGC控制目標(biāo)是整體場功率的控制，整體功率取決于在風(fēng)場中各個(gè)單體機(jī)組的發(fā)電功率累加和，由于單體機(jī)組所處的地理位置不同，所得到的風(fēng)速和發(fā)電功率也各有偏差，對(duì)于單體機(jī)組的運(yùn)行階段大致分為:機(jī)組準(zhǔn)備階段、機(jī)組并網(wǎng)階段、發(fā)電階段、停止發(fā)電階段，其中只有發(fā)電階段機(jī)組對(duì)外輸出有功功率，其余階段均不輸出。機(jī)組準(zhǔn)備階段、機(jī)組并網(wǎng)階段代表機(jī)組在正常運(yùn)行模式，停止發(fā)電階段代表機(jī)組存在故障保護(hù)停機(jī)。

因此總結(jié)風(fēng)場的擾動(dòng)誤差包含:

(1)風(fēng)速的擾動(dòng)，包含平均場風(fēng)速擾動(dòng)和機(jī)組風(fēng)速擾動(dòng)

(2)機(jī)組的運(yùn)行模式對(duì)于功率的擾動(dòng)

(3)采集數(shù)據(jù)的延時(shí)及通訊故障對(duì)于功率的擾動(dòng)

為克服擾動(dòng)量對(duì)于功率輸出趨勢的誤差，需對(duì)控制模型加入對(duì)于擾動(dòng)量的優(yōu)化控制，確定擾動(dòng)量的動(dòng)態(tài)過渡時(shí)間和擾動(dòng)幅度趨勢，可以依據(jù)最優(yōu)控制方式得到擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)時(shí)間和趨勢，可遵循以下函數(shù):

其中ω的頻率系數(shù)設(shè)定可通過風(fēng)速變化趨勢模型得到不同的系數(shù)比例值，β1和β2的系數(shù)取定于機(jī)組的運(yùn)行模式和通訊模式聯(lián)合判斷函數(shù)。

通過優(yōu)化控制區(qū)域，我們可以對(duì)功率輸出趨勢進(jìn)行有效的誤差修正，保證趨勢的變化是在可控制的范圍內(nèi)，所有誤差的擾動(dòng)將被取消。

2.3 機(jī)組輸出區(qū)域控制

對(duì)于整體的功率輸出趨勢并不代表單臺(tái)機(jī)組的功率控制目標(biāo)，由于機(jī)組的地理位置、運(yùn)行模式、機(jī)械特性等不同，需對(duì)機(jī)組進(jìn)行有效的功率控制目標(biāo)分配。

目前變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組受到了很大的重視，它能根據(jù)外界風(fēng)速的變化而調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以達(dá)到捕獲最大風(fēng)能或?qū)崿F(xiàn)輸出穩(wěn)定功率的目的[4]，雙饋的變槳機(jī)組是目前使用最廣泛的變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

對(duì)于通過變槳模式在維持機(jī)組發(fā)電功率的平衡[5]，通過一個(gè)非線性化風(fēng)機(jī)模型和一個(gè)槳距角控制器得到實(shí)現(xiàn)，因此可以得到雙饋的變槳機(jī)組基礎(chǔ)控制模式可以完整建立功率平衡控制。

對(duì)于雙饋的變槳機(jī)組，其風(fēng)能捕獲功率、槳距角和發(fā)電機(jī)發(fā)電功率描述可遵循以下函數(shù):

(1)捕獲的風(fēng)能功率

P0為捕獲的風(fēng)能功率，ρ空氣密度，A為風(fēng)輪的掃風(fēng)面積，V為風(fēng)速，Cp(λ)為Cp－λ曲線的取值。

λ為系統(tǒng)的葉尖速比，其函數(shù):

V為風(fēng)速，R為為葉輪直徑。

葉輪葉尖速和Cp和槳距角的曲線關(guān)系如下圖2所示，圖中只描述槳距角0－10°的曲線。

圖2所示，X軸為λ，λ為無量綱數(shù)值，Y軸為Cp，Cp為無量綱數(shù)值。槳距角度對(duì)應(yīng)的曲線標(biāo)志在圖上，從此得到結(jié)論是，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)捕獲風(fēng)能的能力不僅受其機(jī)械特性有關(guān)，還與所采用的控制策略有關(guān)[5]。在任何風(fēng)速情況下，可以通過控制槳距角變化在保證捕獲的風(fēng)能功率恒定，其最優(yōu)狀態(tài)是目標(biāo)風(fēng)速和槳距角0°重合，大于目標(biāo)風(fēng)速槳距角通過變大趨勢，通過新的λ和對(duì)應(yīng)角度曲線Cp，通過Cp的變化來保證捕獲的風(fēng)能功率恒定。

圖2 Cp-λ曲線

(2)對(duì)于固定的雙饋機(jī)組，發(fā)電機(jī)功率曲線是固定的，圖3所示為實(shí)際機(jī)組的發(fā)電機(jī)功率曲線

圖3 發(fā)電機(jī)速度功率曲線

圖3 中X軸為發(fā)電機(jī)功率(kW)，Y軸為速度(r/min)，從曲線中可以知道每一點(diǎn)的發(fā)電機(jī)速度只有一個(gè)對(duì)應(yīng)的發(fā)電功率，雙饋機(jī)組葉輪和發(fā)電機(jī)直接通過一個(gè)增速齒輪箱剛性連接，因此可以得到每一點(diǎn)的葉輪速度對(duì)應(yīng)一點(diǎn)發(fā)電功率。

(3)對(duì)于固定的雙饋機(jī)組的風(fēng)速功率曲線是固定的，圖4所示為實(shí)際機(jī)組的風(fēng)速功率曲線

圖4 中X軸為風(fēng)速(m/s)，Y軸為風(fēng)功率(kW)，從曲線中可知每一點(diǎn)的發(fā)電機(jī)速度只有一個(gè)對(duì)應(yīng)的發(fā)電功率，雙饋機(jī)組葉輪和發(fā)電機(jī)直接通過一個(gè)增速齒輪箱剛性連接，因此可以得到每一點(diǎn)的葉輪速度對(duì)應(yīng)一點(diǎn)發(fā)電功率。

綜合上述，對(duì)應(yīng)一個(gè)投入運(yùn)行的雙饋機(jī)組，每一點(diǎn)的風(fēng)速對(duì)應(yīng)一個(gè)固定的葉輪速度，固定的發(fā)電功率;在對(duì)應(yīng)風(fēng)速度點(diǎn)上可以通過設(shè)定不同的葉輪速度，通過變槳控制將速度和功率恒定在一個(gè)固定區(qū)域內(nèi)，最大的速度調(diào)節(jié)范圍不能超過此點(diǎn)的風(fēng)速點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率，最小的功率范圍可以是系統(tǒng)有效的最小發(fā)電功率所對(duì)應(yīng)的葉輪速度，因此可確定的機(jī)組AGC調(diào)整控制范圍為:

Pout為輸出功率，Pwind此風(fēng)速點(diǎn)的額定功率，Pmin為系統(tǒng)最小額定發(fā)電功率。

由于機(jī)組存在一定的振動(dòng)狀態(tài)[6]，對(duì)機(jī)組的振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行定量分析，此系統(tǒng)必須具備振動(dòng)穿越控制保護(hù)，一般而言系統(tǒng)的振動(dòng)區(qū)域在一個(gè)固定范圍，系統(tǒng)必須具備在AGC模式下穿越振動(dòng)的功能。

3 實(shí)現(xiàn)方式

在實(shí)際風(fēng)場采用上述控制策略方式時(shí)，通過C++作為實(shí)現(xiàn)控制方式的軟件體系及通訊采集的協(xié)議轉(zhuǎn)換體系，服務(wù)器和通訊接收器組成的硬件體系，以39臺(tái)雙饋機(jī)組的風(fēng)場為目標(biāo)，建立一個(gè)AGC控制調(diào)整平臺(tái)，通過實(shí)際的參數(shù)調(diào)整和控制修正，得到滿意的運(yùn)行結(jié)果，基本AGC的控制調(diào)整精度在2%，達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)。

4 結(jié)束語

三區(qū)域控制模式可以有效地運(yùn)用于風(fēng)場的AGC控制運(yùn)行，由于風(fēng)場的實(shí)際風(fēng)況變化和風(fēng)場所處于的類型不同，產(chǎn)生的風(fēng)速擾動(dòng)變量趨勢會(huì)有較大的不同，因此對(duì)優(yōu)化控制的參數(shù)設(shè)定需和實(shí)際風(fēng)場相匹配，同時(shí)由于不同廠商機(jī)組的通訊模式和通訊效率各不相同，因此對(duì)三區(qū)域控制模式有效的控制循環(huán)周期需根據(jù)機(jī)組做相應(yīng)的調(diào)整?？傮w上分析，采用三區(qū)域控制模式建立獨(dú)立的AGC控制，具有相對(duì)控制穩(wěn)定，硬件投入量不大的特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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